1X射线物理学基础
第一章 X射线的物理学基础-fuxn
本课程内容
第二章 X射线荧光分析-------6学时 1. 概述------1 2. X射线荧光------1 3. XRF光谱仪的结构和工作原理---------1 4. 定性分析---------1 5. 定量分析----------1 6. 能谱分析-----------1
X射线最早的应用
在X射线发现后几个 月医生就用它来为病 人服务
右图是纪念伦琴发现 X射线100周年发行的 纪念封
1-1 X射线的发现
伦琴的发现引起了极大的轰动，以 致于在全世界范围内掀起了X射线研 究热，1896年关于X射线的研究论文 高达1000多篇.对X射线的公布，促使 法国物理学家贝克勒尔也投入到这 一研究领域之中，为了弄清X射线产 生的机制。他想，如果把荧光物质 放在强光下照时，是否在发荧光的 同时，也能放出X射线呢？
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第四章 X射线光电子能谱分析-----6学时 1. 概述-----1 2. 分析原理------1 3. 谱线识别-------1 4. 谱峰的位移------1 5. 伴峰和谱峰的分裂-------0.5 6. 定性分析与俄歇峰利用------0.5 7. 定量分析-------------0.5 8. XPS实验方法及应用举例-------0.5
本课程内容
第三章 X射线衍射分析--------10学时 1. 概述-----0.5 2. X射线的产生及其性质-----0.5 3. X射线衍射原理------3 4. X射线衍射方法------2 5. X射线衍射数据------2 6. X射线物相定性定量分析------1 7. X射线分析方法的应用---------1
1-1 X射线的发现
X射线物理学基础
6) 假定空气由20% O2 和 80% N2 组成, 其密
度为1.29×10-3 g/cm3, 试求其对于Cr Kα的质
量吸收系数um 和线吸收系数u。
7) 作出Cu靶在1, 5, 20 and 40 kV 电压下的强
度-波长关系图。
8) 对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选
择理由。
一、原子能态及其表征
可以象粒子一样和微观粒子发生相互作用
同样微观粒子既有粒子性，又可以作为一
种波（德布罗意波）有干涉和衍射现象
X射线的特点： 1）不可见 2）折射率接近1 3）穿透性强 5）杀伤作用
(三) X产生与X射线管
1. 产生方式： 1.高速电子流撞击金属靶
2.同步幅射X射线 X射线管的结构 ：
X射线管
阴极产生电子
X射线物理学基础作业 1．在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7种元素，根据它们的特征谱波 长（Kα1），用图解法验证莫塞莱定律。 2．若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流 是多少？ 3．讨论下列各组概念中二者之间的关系： 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 4．为使Cu靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。 5．画出MoKα辐射的透射系数（I/I0）-铅板厚度（t）的关系曲线（t取 0~1mm）。 6．欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是 多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？
1
式中K2为与靶中主量子数有关的常数，
K2 (Z )
K2 (Z )
σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 （钼钯K系）
chap1_X射线物理学基础
第一篇X射线衍射分析n1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
1895年伦琴初次发现X射线，拍摄的他夫人手指的X射线照在伦琴的两名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping)的帮助下，劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。
第一次X射线衍射实验所用的仪器。
所用的晶体是硫酸铜。
劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。
它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。
第一章X射线的物理特性n1.1 X射线的产生极其性质n1.2 X射线谱n1.3 X射线与物质的相互作用n1.4 X射线的衰减规律第一节Ｘ射线的产生极其性质一、X射线的产生X射线管包括阴极、高压、靶材图1-1 X射线管的结构示意图二、X射线的本质X射线是一种电子波，横波，波长短（0.01-10nm）“硬”X射线，“软”X射线三、X射线的本质Ø不能用一般方法使X射线会聚发散Ø通常靠使荧光物质发光、使照相底片感光、使气体产生电离现象观察检测Ø软X射线的波长与晶体中原子间距比较接近，常被用来进行X射线衍射分析（0.25-0.05nm）Ø对有机质是有害的，需要加上铅制品保护。
第二节X 射线谱图1-2 两种X 射线谱示意图一、连续谱X 射线强度随波长λ而变化的关系曲线，即X 射线谱。
丘包状曲线为连续谱竖直尖峰为特征谱对应两种X 射线辐射的物理过程。
连续谱：大量高速运动的电子与靶材碰撞时而减速，不同能量损失转化成不同波长的X 射线，并按统计规律分布。
2I iZUα连=图1-2 两种X 射线谱示意图2max12o hc eU h m ευνλ====动短波限λo ：hc K e U Uλ==o K=1.24nm ·kV ，短波限只与管电压有关。
连续X 射线总强度：α值约为（1.1-1.4）×10-9X 射线管发射连续X 射线的效率η为：2X X iZU ZUiUαηα===连续射线总强度射线管功率当用钨阳极（Z=74），管电压为100kV 时，η≈1%，可见效率是很低的。
X射线物理学基础
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1784年左右研究了空气由O2和N2组成； 确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。 敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1905年，德国基尔大学 1914年，德国法兰克福大学 的勒纳德。阴极射线。 的劳厄，晶体的X射线衍射。
1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦 斯·布拉格，X射线分析晶体结构。
01—X射线物理学基础 中国近代物理学奠基人，生于江西。 1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。 1926年获博士学位。 1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。 1945年10月任中央大学校长。 1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起 任中国科学院副院长。 1977年11月30日在北京逝世。
发现硝酸，被称为“化学中的牛顿” ；
1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水； 首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用；
发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比， 即后来库伦定律的一部分；
指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的
卡文迪许(Henry
欧姆定律；
Cavendish,1731.10.10.～ 1810.3.10.)英国化学家、
连续谱上，会出现一系列强度很
Kβ
高、波长范围很窄的线状光谱，
第一章 X射线的性质
透射x射线
热能 图1-9. X射线与物质的相互作用
穿透
入射 X射线透过物质沿原方向的传播
相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波 之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。
散射 非相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞， 产生新的光子和反冲电子的过程．（康－吴效应） 吸收 入射 X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其 本身能量被消耗的现象．
(2) 俄歇效应 处于K激发态的原子能量(EK—EL)如还能继续 产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二 次电子，如EK—EL＞EL，它就可能使L、M、N等层 的电子逸出，这种二次电子称为KL电子，它的能 量有固定值，近似地等于“EK-EL”这种具有特征能 量的电子就是俄歇电子。
三：X射线的衰减规律 （1）质量吸收系数 实验证明：当一束X射线通过物质时，由于散射和 吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程 度与所经过物质小的距离成正比，如图1－7所示。 强度的相对变化为： Ix Ix dx dIx
1
二.
重要的概念和公式：
1.高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征X射线）：入射电子，击出k层 电子，发出具有特定波长的x光子。 光电效应（荧光辐射）：入射x光子，击出内层 电子—光电子，发出x光子(荧光X射线)。 俄歇效应：入射x光子，击出一个k层电子，L层 一电子跃入 填充，再使L层上一电子成自由电子 (KL2L2 Auger电子)。
1.1.3 X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型。 (1) 连续X射线谱 ： 定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产 生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子 与阳极碰撞的无规律性，因而其X射线的波长是连续 分布的 ，故叫做连续X射线谱。其谱形如图1-5 (2) 特征X射线 ： 定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X射线叫做 特征X射线，又叫标识X射线。由特征X射线构成的X 射线谱叫特征x射线谱，产生的原理见图1－6。 特征X射线产生的根本原因 1 是原子内层电子的跃迁，它的波 K (Z ) 长与原子序数服从莫塞莱定律。
第1章 X-射线原理
X射线衍射应用领域
X射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流 体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。 对材料学、物理学、化学、地质、环境、 纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都 是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新 材料， 宏观表象转移至微观认识，建立新理 论和质量控制不可缺少的方法。
X射线衍射能解决的问题
电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
波长
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁 χ射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 长 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
p
h
X射线强度的描述
用波动性的观点来描述：单位时间内通过垂直 于X射线传播方向的单位截面上能量的大小，强度I 与波振幅A 的平方成正比，I＝A2 。 • 用粒子性描述为单位时间内通过单位截面的光 量子数。
•
•X射线的绝对强度难以测定，通常用相对强度值。 例如：衍射峰的相对高低， 照相底板上的明暗程度
这种强度峰的波长反映了 物质的原子序数特征。 所以叫特征X射线峰。 产生特征X射线的最低电 压叫激发电压。
二.特征X射线
特征X射线谱
特征X射线谱的产生
特征X射线谱反映了物质的原子结构特征。原子系统的电子分别分布在原子核 外不同能级的壳层上，离原子核越近的电子能量越低。当阴极来的高能电子把 内壳层中某个电子轰出去后，在原位置上留下空位，使原子系统能量升高，处 于激发态。激发态是不稳定的，外层电子就要向内层空位处跃迁，使系统回到 稳定态。这一过程是高能态→低能态的过程。 如果K层少了一个电子，高 能 L 层的某个电子去补位， 这时能量降为
第1章 X射线的性质
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1.3 X射线谱--- 连续X射线谱
X射线强度与波长的 关系曲线，称之X射 线谱。 一、连续X射线谱
在管压很低时， 小 于 20kv 的 曲 线 是 连续变化的，故称 之连续X射线谱，即 连续谱。
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1、连续X射线谱的产生机理
极大数量的电子与靶材随机碰撞 不同且连续的X射线
2、短波限λ0
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根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不相容原理不
连续地分布在K、L、M、N……等不同能级的轨道（壳层）上，
而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K层，再依次 填L、M、N等。能量大小：K<L<M<N… eg：当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产 生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，
这么大数目的电子到达靶上的时间和条件不 会相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量 逐步损失掉，因此其波长必然覆盖一个很大的范 14 围，这种辐射称为连续辐射。
4.X射线产生的机理
特征辐射 当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电 子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量 较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的 能量增高，原子处于激发状态。 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此 时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。 原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐 射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能 量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。
X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。
从能量的转换角度来看：
一束X射线通过物质时，其能量分为三个部分： 被散射，改变前进方向 被吸收，产生光电效应 热效应 透过物质，强度发生衰减。
第一章-X射线物理学基础
第一章 X 射线的物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别？X 射线性质：(1)X 射线穿透物质时可被吸收；(2)原子量及密度不同的物质，对X 射线的吸收不同；(3)轻原子物质对X 射线来说几乎是透明的，而重元素物质对X 射线的吸收非常显著；(4)可穿透不透明的物质。
本质：属于电磁波。
X 射线的波长：大约在0.01~100 Å之间。
X 射线和可见光本质上同属于电磁波，只不过彼此占据不同的波长范围而已；X 射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X 射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。
不能象可见光一样使X 射线会聚、发散、和变向，使得X 射线无法制成显微镜！2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是什么？X 射线的管电压：加载到阴极和阳极侧之间的电压。
（KV ），50KVX 射线的管电流：在阴阳两极电场作用下，向阳极运动，形成的电流。
（mA ）50mA3、X 射线的焦点与表观焦点的区别与联系？焦点：阳极靶表面被电子束轰击的地方，正是这个区域发射X 射线。
对于长方形焦点的X 射线管，引出窗口很重要。
对着焦点长边开设的窗口发射出X 射线的表观焦点为线状（称为线焦斑），其强度较弱，但其水平发散度小，分辨率较高，线性较好，粉末衍射仪多采用线焦斑；对焦点短边开设的窗口发射出的X 射线的表观焦点则为正方形（称为点焦斑），强度较高，可使衍射线明锐，适合于织构测定及德拜、劳埃照相场合。
4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件是什么？产生的机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？硬X 射线：波长较短的硬X 射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。
1.1X射线物理基础
λ
机理：
高速电子进入核区，由于核区有库仑场存在，其速度发生变化。 不同的电子有不同的速度，取连续值。 当高速电子与原子核碰撞而骤然减速时，辐射 出X-射线， 其光子能量呈连续变化，称韧致辐射，或称刹车辐射。
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短波限λº的形成
• 量子理论解释
eV h max hc
0
hc 12.4 1.24 1240 A nm nm eV V (kV) V (kV) V (V)
m wi mi
n
m —吸收体中各元素的质量吸收系数
Wi — 吸收体中各元素质量百分数
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1
吸收限
m
产生突变。 • 不连续处称为 吸收限。 • 相应的波长为 吸收限波长λK， λL等。
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吸收限
• 吸收限是由光电效应引起的。 • X射线的λ ≤λK时，X射线光子被吸收，光 子的能量转变为光电子、俄歇电子和荧光 X射线的能量，使 m发生突然↑。 • 吸收限两侧随着λ的变化基本遵循经验公式， 只是K值各不相同。
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滤波片
• 利用特征X射线进行物相分析时，只用单色Kα谱线，将 Kβ等滤掉，需使用滤波片。 • 滤波片是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点。 • 滤波片的厚度对滤波质量影响很大，应选择适当的厚度。 • 滤波片材料根据阳极靶元素而定，满足下列关系 ： λKα(靶)＞λK(片)＞λKβ(靶) • Z靶＜40时，Z滤波片=Z靶－1 Z靶＞40时，Z滤波片=Z靶－2
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X射线与物质相互作用小结
• 宏观效应--X射线强度衰减， 是X射线成像（X-CT）分析的 物理基础 • 微观机制--X射线被散射,吸 收
–散射：无能量损失或损失相对 较小，只有相干散射才能产生 衍射，相干散射是进行材料 XRD分析的物理基础 –吸收：能量大幅度转换, 带有 壳层的特征能量,是揭示材料 成分的因素。特征能量是进行 材料成分分析的工具（X射线 光谱分析，电子能谱等）
X射线物理学基础
第一章X射线物理学基础【教学内容】1．X射线的发觉。
2．X射线的本质。
3.X射线的产生与X射线管。
4．X射线谱。
5.X射线与物质的彼此作用。
【重点把握内容】1.X射线的粒子性与波动性。
2.X射线的产生与X射线管的大体构造。
3•持续X射线和特点X射线谱特点及产生的机理。
4.X射线与物质的的彼此作用而产生的散射和吸收。
【了解内容】1.X射线发觉。
2.X射线的平安防护。
【教学难点】1．X射线的散射与干与。
2．X射线的吸收。
【教学目标】1•了解X射线的本质、特点。
2.把握X射线的产生和X射线谱特点。
3．把握X射线与物质的彼此作用有关知识。
4.培育能依照不同的需要选择对不同类型的X射线及在关实验条件的能力。
【教学方式】1．以课堂教学为主，通过量媒体教学手腕，增强教学成效。
并通过部份习题，增进学生对X射线本质的明白得。
2.安排一次对X射线衍射仪的参观，使学生对X射线的产生和大体装置有一个初步的感性熟悉。
一、X射线的发觉X射线发觉于19世纪末期，并在上个世纪之交掀起了一场X射线热。
它的发觉及其本质的确信在物理学上具有划时期的意义。
代表着经典物理学与近代物理学的转折点。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴（照片）在研究真空管的高压放电现象时，偶然发觉凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。
这一现象当即引发的细心的伦琴的注意。
他认真分析一下，以为这可能是真空管中发出的一种射线引发的。
连续数日呆在实验室中不回家。
他试着用各类手、纸板、木块去遮挡，但都无法挡住这种射线。
于是，一项伟大的发觉诞生了。
由于那时对这种射线的本质和特性都不了解，故称之为X射线。
其实在此之前，也有人注意到，放在高压管周围的照相底片有时会发生雾点。
但他们以为这是一种偶然现象。
没有引发重视。
伦琴发觉，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。
他用X射线拍了一张其夫人手的照片（照片）。
1896年1月23日。
伦琴在自己的研究所第一次作关于X 射线发觉的报告时，现场再次拍了维尔兹堡闻名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。
X射线物理基础
X射线物理基础一、X射线的基本概念X射线是一种高能电磁辐射，其波长比可见光还要短，但比γ射线稍长。
X射线是由被高速电子撞击产生的极短波长的电磁辐射。
X射线的波长范围在0.01~100纳米之间，因此具有穿透性很强的特点。
X射线辐射主要有三种过程，即散射、吸收和透射。
散射是指X射线在物质中的原子内外发生方向改变；吸收是指物质中的原子吸收掉X射线；透射是指X射线穿过物质而不被物质吸收。
二、X射线的产生和基本特性X射线的产生有两种方式，即广义上的X射线和特殊的X射线。
广义上的X射线产生是指将一束高能电子流来轰击具有特殊构造和材料的靶，使靶发射出X射线，这种方式就是X射线机所采用的。
特殊的X射线产生是指利用原子残余成分核能级跃迁所放出的特殊X射线。
X射线的基本特性有以下几点：1.X射线是一种电磁波，不带电，可以穿透很厚的物质，其波长短，频率高，能量较大。
2.X射线的强度随着入射电子的能量增加而增加，随着靶材的原子序数增加而增大。
3.不同的物质具有不同的透射性，而透射系数与射线的能量相关。
4.X射线具有强的杀菌和破坏生物细胞等作用。
三、X射线在医学中的应用X线是医学中常用的诊断性工具，应用广泛，可以用于检测人体内各种骨头、器官等部位情况。
常见的X线检查有：1.骨密度检查：用于测定骨的密度，并检测是否存在骨质疏松等问题。
2.胸部X线检查：用于检测肺、心脏等部位疾病的情况。
3.腹部X线检查：用于检测腹部器官如胃、肠、肝、脾、胰等的情况。
4.骨骼成像：用于检查骨骼不良变化的情况，如骨折等。
5.普通X线检查：用于全身各个部位的检查。
四、X射线的剂量安全问题X射线的安全问题是医学工作者非常关注的问题，因为如果剂量过大，就会对身体造成损害。
常见的X射线安全问题包括以下几点：1.剂量选择问题：不同的检查需要选择适当的剂量，大剂量的X射线会对人体健康造成不良影响。
2.暴露时间问题：X射线检查中，暴露时间过长会使剂量增加。
3.距离问题：医学工作者需要尽量离患者远一些，以避免吸收额外的X射线。
第6章_X射线物理学基础
1
第六章
X射线物理学基础
第六章 X射线物理学基础
2
第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生与X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
3. X射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医 疗透视和工业探伤等方面的有力工具。
第二节 X射线的产生与X射线谱
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一、X射线产生： 1. X射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突 然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。 2. X射线产生条件： 1）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子）； 2）在真空中迫使电子作定向的高速运动（加速电子）； 3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止（靶） 据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。
2. 威廉· 康拉德· 伦琴（Wilhelm Konrad RÖntgen ）摄于1896年
4
1845年3月27日生于德国莱茵州雷 内普 （Lennep）镇。 1869年获苏黎世大学理学博士学位 1870年回德国维尔茨堡大学工作。 1894年任维尔茨堡大学校长。 1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教 授，主任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
X射线波动性的表现（2）
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4. 电场矢量E 随传播时间或传播距离变化呈周期性波动， 波振幅为 A（或E0）。 一束沿 y 轴方向传播的波长为λ的X射线波方程为：
第1章 X射线的物理学基础
同步辐射光的特性
• 可精确预知：同步辐射光的光子通量、 角分布和能谱等均可精确计算，因此它 可以作为辐射计量———特别是真空紫 外到 X射线波段计量———的标准光源。 • 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、 高通量、微束径、准相干等独特而优异 的性能。
• 已运行的SR装置 70~ 80多个 • 正在建设和计划中 ~ 20多个 • 关于世界各地同步辐射装置的状况详细信 息可以从下列两个网站得到： /SRWORLD/index.html • http: ///srsources.html • （SR装置的水平是国家经济实力的标志）
同步辐射光的特性
• 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从 远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连 续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波 长的光。
• 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动 方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小， 几乎是平行光束，堪与激光媲美。
• 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子 轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从 特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。
1.1.2 X射线的产生
• 大量实际所用X射线是由X射线管产生的， 不论是探伤用X光机还是照相法用的X光机 和X射线衍射仪， • 都包括：高压发生器（包括整流部分），控 制线路、X射线管及探测记录系统。其中， X射线管和探测记录系统是X射线仪特有的。 • 本节主要介绍X射线管，而探测系统将在后 面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部 分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。
• • • •
X射线的性质： 1）X射线能使照相底片感光； 2）X射线有很大的贯穿本领； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电 离； • 4）X射线是不可见光，它能使某些物质 发出可见光的荧光； • 5）X射线本质上是一种电磁波，同此它 具有反射、折射、衍射、偏振等性质
1-1 x射线物理基础
1.2、X 射线的本质
粒子流？电磁波？
第一节
X射线物理基础
在伦琴的两名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping) 的帮助下，劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。
第一次X射线衍射实验所用的仪器。所用的晶体是硫酸铜。
爱因期坦称，劳厄的实验是“ 物理学最美的实 验”。它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶 体的结构的周期性。
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁 χ射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
波长
长
X射线粒子性： X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流 构成的。它具有一定能量和动量。 能量ε和动量p与X射线光子的频率v和波长λ之间的关 系如下： ε＝hv=hc/λ p＝h/λ h为普朗克常数，为 c 为光速，为
特征X射线的产生遵从光谱选律。
27
特征X射线的多重线系
K 1：L2 K
K 2：L3 K
K射线的双重线K1与K2(钼靶)
28
1.5 X射线与物质的相互作用
X射线激发俄歇电子能谱
医学上透视 X射线衍射 X射线光电子能谱 X射线荧光光谱
X射线与固体物质的相互作用
若X射线照射(气态)自由原子，原子内层电子吸收辐射向高能级跃迁是X 射线吸收光谱分析方法的技术基础。
3、同步幅射X射线源
速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时， 会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。
•频谱宽且连续可调 •亮度高、高准直度
第一章_X射线物理学基础
它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对 轻元素。
38
（2）X射线的吸收
物质对X射线的吸收：X射线能量 在通过物质时转变为其它形式的 能量，X射线发生了能量损耗。 主要表现在对物质原子中的内层
光随后产生的各种过 程。
它主要包括光电效应（二次特征 幅射）和俄歇效应等。
物质中的电子在X射线电场的作用下，产生
强迫振动。
这样每个电子在各方向产生与入射X射线同 频率的电磁波。
新的散射波之间发生的干涉现象称为相干
散射。
37
X射线的散射
②非相干散射 （incoherent scattering 量子散射）
X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电 子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方 向，能量减小，波长增加的非相干散射波。 非相干散射是康普顿（ pton）和我国物理学家吴 有训等人发现的，亦称康普顿-吴有训效应。 非相干散射突出地表现出 X射线的微粒特性，只能用量子 理论来描述，亦称量子散射。
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特征（标识）X射线谱
莫塞莱定律
标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的 原子能级结构，是物质的固有特性。
莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z 关系为：
1
C Z
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特征（标识）X射线谱
特征X射线的强度特征
K系特征X射线的强度I与管电压U、管电流i的关系 为：
国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1nm=10Å=10-9m 1kX=1.0020772±0.000053Å (1973年值)。
第一章X射线物理学基础
λ＝ｈc/ △E
08:47:09
高速电子在撞击到原子时，很容易将能量传 送給原子中的电子，而使原子离子化当原子內层 轨道的电子被激发后，其空位很快会被外层电子 的跃入填满，在此电子跃迁的过程中，由于不同 轨道间的能量差，X光会随着放出。 此过程所产
生的X光与原子中电子轨道的能量有关。
08:47:09
08:47:09
产生特征X射线的同时也会产生连续X射
线，但特征X射线强度要比同时产生的邻 近波长连续X射线强度高得多，提高管电 压可以提高特征X射线的强度，但同时连 续X射线强度也增加。当工作电压为激发 电压的3－5倍时，特征X射线强度与连续 X射线强度的比率最大，因此电压应选为 激发电压的3－5倍。
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连续X射线谱的特点
1.在阳极靶所辐射的全部光子中，光子能 量的最大值不能大于电子的能量，具有 极大能量的光子波长，即为短波极限 λ0 。 当：ev=h·νmax=hc/λ0 有短波极限：λ0=12400/v
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X光管管电流、管电压和阳极靶材对连续谱的影响
08:47:09
2.连续谱强度分布的形状主要决定于X 光管 加速电压的大小。当X 光管管压变化时，其 连续谱的强度分布的形状全不相同(见中间图)， 且在λ0的约1.5 倍波长处其强度达到最大值。 连续谱各波长的强度与X 光管的电流成正比 (见左图)。此外，连续谱各波长的强度随阳极 材料的原子序数增大而增加(见右图)。连续谱 的强度(I)与X 光管的电压(V)平方、电流(i)及 阳极材料的原子序数(Z)成正比： I ∝ i Z V2
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X射线产生的原理
电磁原理： 当带电粒子在加速或减速过程中， 会释放出电磁波，在巨大加速或减速过 程中，所释放的电磁波具有高能量，当 其波長在10-12－10-8m則成X光。
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2.1 连续谱产生机理
电子与阳极靶碰撞，电子失去能量，其中部分以光子的 形式辐射，这样的光子流即为X射线
单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大 多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射， 出现连续X射线谱。
过程演示
Wk
Wl
原
子 的
Wm
能 Wn 量
0 电子冲击阳级靶
K态（击走K电子）
X射线的发现
1914 物理 劳埃Max von Laue
晶体的X射线衍射
1915 物理
亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.
晶体结构的X射线分析
1917 物理 巴克拉Charles Glover Barkla
元素的特征X射线
1924 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X射线光谱学
K为常数,1.1-1.5×10-9 Z为阳极靶元素的原子序数 I为X射线管的电流强度，V为管电压
X射线管的效率
X射线管效率
X射线强度 X射线管功率
KZV 2 IV
AZV
3、特征X射线
特 征 谱 示 意 图
3.1 特征X射线产生机理
与阳极物质的原子内部结构紧密相关
电子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轰击阳 极的过程中，具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层 电子击出，在低能级上出现空位，系统能量升高，处于 不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃 迁，并以光子的形式辐射出特征X射线
3.3 K系激发
示意图
K系激发的特点
管电压超过激发电压时才能产生特征谱线 靶元素的原子序数越大，激发电压越高 Kα的强度约为Kβ的5倍
激发限
h k
hc
k
e k
k
hc
k
1.24
k
3.4 莫塞莱定律
表征特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系
1 CZ
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
电子衍射
1954 化学 鲍林Linus Carl Panling
化学键的本质
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
蛋白质的结构测定
dIx ＝ Ix+dx－Ix
I xdx I x Ix
＝dI x ＝ －μL·dx
Ix
e 当x＝0时，Ix＝I0， I/I0 =
L x
2.2 相关概念及物理意义
线衰减系数，L
线吸收系数，τ 散射系数，σ 质量吸收系数 m
2.3 质量吸收系数
m K3Z 3
质量吸收系数的加和性
本章主要内容
第一节 X射线的本质 第二节 X射线谱 第三节 X射线与物质相互作用
第一节 X射线的本质
1. X射线的历史 2. X射线的性质 3. X射线的特征 4. X射线范围 5. X射线的产生 6. X射线管 7. X射线仪 8. X射线的影响
1、X射线的历史
1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线
II. 粒子性 X射线由具有能量E、动量P、质量m的X光子组成 E = hv P = h/ h为普朗克常数，6.62617610-27尔格
硬X射线：波长较短、能量较高、穿透性较强。适用于金 属部件的无损探伤及金属物相分析。
软X射线：波长较长、能量较低、穿透性弱。用于分析非 金属的分析。
1962
生理医学
Francis Maurice
H.C.Crick、JAMES h.f.Wilkins
d.Watson、
脱氧核糖核酸DNA测定
1964 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin
青霉素、B12生物晶体测定
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle
吸收限的应用
滤波片的选择
吸收限位于Kα和Kβ之间，尽量靠近Kα，强烈吸收Kβ，Kα 吸收很小； Z靶<40时 Z滤片=Z靶-1； Z靶>40时 Z滤片=Z靶-2； 滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳
阳极靶的选择
阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限； 试样对X射线的吸收最小。Z靶≤Z试样+1
4、X射线的范围
5、X射线的产生
高速运动的电子流
射线 X 射线 中子流
高能辐 射流
突然减速,产生X射线
5.1 X射线产生条件
1. 产生自由电子的电子源
2. 电子作定向的高速运动
3. 在电子运动的路径上设置一个障碍物如阳极靶 使电子突然减速或停止
4. 阴阳极封闭在10-3Pa的高真空中
5.2 过程演示 冷却水
1、X射线的散射
相干散射, 非相干散射
1.1 相干散射
电子在X射线作用下，产生强迫振动。每个电子在各方 向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间 发生的干涉现象
一、 汤姆逊公式
Ie
I0
e4 R2m2c4
(1
cos 2 2
2
)＝I 0
7.9 10 26 R2
(1 cos2 2
康普顿效应：用量子理论描述，亦称量子散射。增加 连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元 素。
1.3 二次特征辐射
二次特征辐射：荧光辐射，激发限 光电效应 俄歇效应
2、X射线的衰减
X射线衰减图示
2.1 衰减公式推导
设入射X射线强度为I0，透过厚度为P的物 质后强度为I，I＜ I0；在被照射的物质中取 一度深元度上为的XX处 射线的强小度厚为度元Ix，dX透，过照此到厚此度小元厚的 X射线强度为Ix+dx，则强度的改变为：
2
)
Ie：散射X射线的强度; I0：入射X射线强度 e：电子电荷; m：电子质量; c: 光速 2θ：电场中任一点到原点连线与入射X射线方向的夹角 R：电场中任一点到发生散射的电子的距离 fe=e2/mc2: 电子的散射因子 (1+cos22θ)/2: 为极化因子或偏振因子
二、 X射线散射的特点
1. 在各个方向上散射强度不同，2θ＝0°处强度最强， 2θ＝90°强度最弱
2. 散射波强度与入射波频率无关 3. 散射强度与入射强度相比，强度很弱
1.2 非相干散射
X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞 时，电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子 离开原来方向，能量减小，波长增加。
设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤 X射线的阴极端为危险的源泉，安装时把阴极端装在
仪器台面之下或箱子里、屏后 辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使
局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、 血液的组成和性能改变以及影响生育等
安全措施：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免 身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。
1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体中的衍射 现象，确证了X射线是一种电磁波
1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了 NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年份 学科
得奖者
内容
1901 物理 伦琴Wilhelm Conral Rontgen
m W mi i
i
μmi为第i种元素的质量吸收系数 Wi为各元素的质量分数
3、吸收限
吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于 或小于λk时，光子的能量达到击出一个K层电子的功W， X射线被电子吸收，激发光电效应，使μm突变性增大。
吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有二个副层， 有二个吸收限。
4、X射线的折射
折射率约为0.99999-0.999999
M
1
ne22 2mc 2
1
ne22 2mc 2
5、X射线与物质相互作用的总结
散射X射线 电子
相干的
非相干 的 反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康普顿效应 俄歇效应 光电效应
透射X射线衰减后的强度I0
热能
6、X射线的安全防护
X射线谱
1、连续谱：强度随波长连续 变化
2、特征谱：波长一定、强度 很大又称为标识谱
1、X射线的强度
定义
垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过 的光子数目的能量总和。单位是J/cm2·s
决定因素
光子能量hv、光子数目n I=nhv
最大值出现在1.5λ0处
2、连续X射线谱
连续谱示意图
X射线管实物图
7、X射线仪
8、X射线的影响
使一些物质发出可见的荧光 使离子固体发出黄褐色或紫色的光 促进物质的合成 引起生物效应，导致新陈代谢发生变化； x射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射和吸收。
第二节 X射线谱
1. X射线的强度 2. 连续X射线 3. 特征X射线
度量单位：Å、kX、nm
1nm=10Å=10-9m
1kX=1.0020772±0.000053 Å
3、X射线的特征
a. X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多对于可 见光不透明的物质
b. X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光
c. X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X射线 的辐射时，生理上会产生一定的反应
C，σ都是常数
3.5 特征X射线的强度